张一慧:利用2D结构实现3D结构的制备

通讯员 杨 帆


张一慧(Yihui Zhang),1986年出生于安徽省南陵县,清华大学航天航空学院工程力学系副教授。2006年在南京航空航天大学获得学士学位,2008年和2011年在清华大学航天航空学院工程力学系分别获得硕士和博士学位,清华大学优秀博士学位论文获得者。2011年至2015年在美国西北大学土木与环境工程系先后担任博士后研究员和助理研究教授。2015年,入选中组部“青年千人计划”。研究领域为屈曲力学及其新兴应用,柔性可延展电子器件,仿生软物质,智能材料与结构力学。2016年入榜美国麻省理工学院(MIT)主办的《技术评论》(Technology Review)公布的全球35名35岁以下“世界杰出青年创新家”(TR35)名单

 

张一慧在实验室。

 “我们这项通过对平面结构加载得到空间结构的工作,为3D结构的制备提供了一种新的方法。”清华大学航天航空学院副教授张一慧正在展示“弹出式”三维快速成型技术。由于这项技术,他入榜了美国麻省理工学院(MIT)主办的《技术评论》(Technology Review)在8月23日公布的2016年度TR35,即全球35名35岁以下“世界杰出青年创新家”名单。8月31日上午,校友总会在他的办公室里对他进行了采访。

“清华为我提供了一个好的平台”

2006年,已从南京航空航天大学获得学士学位的张一慧,来到清华大学航天航空学院攻读硕士学位。“刚到清华的时候,我发现周围的每一位同学都非常优秀。”他笑着回忆起十年前的时光,“不过这也能让我时刻鞭策自己。”除此之外,他还感受到清华更系统、更专业、更深入的基础知识训练与科学素质的培养。“清华的课程要求很高,但是这些严格的训练为我之后做研究打下了很重要的基础。”让张一慧记忆犹新的是余寿文教授的《断裂力学》课,“余教授讲课深入浅出,把比较难的概念讲得让我们很容易理解和应用,特别有名师风范!”

张一慧在清华度过了五年时光,2008年获得硕士后,又在本系攻读博士学位。“清华为我提供了一个很好的平台,使我能够和很多老师交流具体的研究思想。”硕士期间,在科研刚刚起步之际,他曾经得到了邱信明老师的许多指导,使他对于问题的想法由浅入深、由粗到细。攻读博士期间,他在刘彬教授和导师方岱宁教授的共同指导下,将刘彬教授所创的原子级有限元方法应用到铁电智能材料,在保证计算精度的前提下,计算速度比以往的力电耦合分子动力学方法提高了一百多倍。

对他影响最深的还是他硕士和博士期间的导师方岱宁教授。在硕士期间,张一慧研究的是一个偏于工程的课题,具备多年科研经验的方教授认为,该课题的基础研究成果颇丰,发展空间有限,因此建议并支持他在博士期间转变方向,研究铁电智能材料的多尺度力学行为,深入探索其中的物理、力学的复杂耦合问题。也正是这个课题,成就了他的那一篇清华大学优秀博士学位论文。

微型硅条带由二维变形为三维结构的动态过程。

新型三维结构制备方法,让制造更简单

2011年,获得了清华大学工学博士的张一慧远赴美国西北大学做博士后,主要研究方向是柔性可拉伸电子器件,这个领域的核心问题是怎样把一些刚性的、不可拉伸的金属/硅电子器件做成可拉伸的形式。他具体做的是一些功能密度(即功能组件空间占比)较高的柔性电子器件,这类器件往往要求内部的导线可拉伸,甚至超级可拉伸。因此,发展超级可拉伸导线就成了他亟待解决的问题。

当时,他的一个直观的想法是,类似于弹簧的螺旋结构具备超级可拉伸特点。但是要在几十微米,甚至几微米的尺度上用硅或高性能金属来做3D螺旋结构,传统的方法,包括3D打印技术,都是很难做到的。如何发明一种新型的微纳米3D结构制备方法,是摆在张一慧面前的一道难题。

常言道:“他山之石,可以攻玉。”在一次研究平面曲线结构在拉伸或压缩下所产生的屈曲变形时,张一慧意外地发现,这种平面结构在简单压缩之后,竟然会变成3D螺旋结构。在这个发现的启发下,他和美国的导师一起对其进行拓展,利用这种方法做出了几百种不同几何拓扑的3D结构,并且证明了该方法的普适性——理论分析的结果是100纳米以上的尺度都可以实现,而实际的样品已经做到几十厘米。同时,他也谈到,100纳米以下的制备技术还有待深入探讨。

 

由二维平面到三维曲面状硅结构的组装成型过程。

“我们这个工作提供了一种新的三维结构的制备方法,它可以作为一个制备平台。”与以往的制备方法相比,这种技术不仅可以快速地实现各种高性能材料的组装,而且应用领域十分广泛。首先,由于所生成的3D结构是可变形的,所以可以利用它做成具有可调控功能的微型电感元件。其次,它还可以应用到光学领域——对器件进行拉伸,使其核心部分发生转动,改变遮光面积,从而改变光的透射率。第三,它还在细胞生物学中发挥着作用,有关监控和调控细胞生长的研究正在进行着。

成功,是对世界产生影响

在许多人眼中,入榜《技术评论》全球35名35岁以下“世界杰出青年创新家”名单的张一慧无疑是一位成功的年轻学者。当被问到对于成功的看法时,张一慧给出的答案是希望自己所做的研究成果能对世界产生积极的影响。

“如果我们的社会能够从我的研究成果中感受到一些收益或者价值,那么我觉得真的是很满足。当然,这是非常难。”张一慧说,“不过我会朝着这个方向一直努力下去。但是,如果做不到也没什么遗憾,只要我能对这个领域有所推进,让其他人在我所做的基础上做出有用的产品,那我也是非常开心的。”另外,作为教师,他还希望,自己能够培养出一些优秀的学生,将来他们也能对社会有所贡献。

对于今年入学母校的学弟学妹,张一慧希望他们首先能够深刻地去理解校训,因为“自强不息、厚德载物”在他看来就是要敢闯,敢于做那些开放性、开拓性的工作,遇到困难是要有勇气坚持做下去,即使失败,也要积累失败的原因,为接近成功打下更深厚的基础。另外,他希望学弟学妹们能够踏实勤奋地学习,始终保持一颗好奇心,并且鼓励他们用批判的眼光去看待前人所做出的学术成果。

清华新闻网9月8日电

供稿:校友总会 编辑:李华山

2016年09月08日 09:05:14  清华新闻网

更多 ›图说清华

最新更新